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第10章耦合场分析(以热—应力为重点)什么是耦合场分析?耦合场分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分析包括直接和间接耦合分析。当进行直接耦合时,多个物理场（如热—电）的自由度同时进行计算。这称为直接方法，适用于多个物理场各自的响应互相依赖的情况。由于平衡状态要满足多个准则才能取得，直接耦合分析往往是非线性的。每个结点上的自由度越多，矩阵方程就越大，耗费的机时也越多。下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分析的单元类型。不是所有单元都有温度自由度。什么是耦合场分析?(续)间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响应（如热）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元类型。本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提供热—电直接耦合。详细说明参见Coupled-FieldAnalysisGuide。直接方法-例题在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和FLUID116热—流单元。该单元具有热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由度。绝大多数的实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了几个涉及到热现象的直接耦合场分析。热—结构:热轧铝板铝板的温度将影响材料弹塑性特性和热应变。机械和热载荷使得板产生大应变。新的热分析必须计入形状改变。直接方法-例题(续)热-电磁场:钢芯的热传递传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域的交变电流在钢芯内产生焦耳热。钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯度很大，因此必须考虑钢芯材料特性随温度的变化。而且，磁场变化的强度和方向都会改变。象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势{A}，就能计算出电流密度向量{J}。它用来计算下式中的焦耳热:22maxRIPowerRMSQj直接方法-前处理在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面:•使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。模型中不需要耦合的部分应使用普通单元。•仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。耦合场单元相对来说有更多的限制(如,PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元可以,SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。•不同场之间使用统一的单位制。例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使用瓦(焦耳/秒)，热单位就不能使用Btu/s。•由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。直接方法-加载,求解,后处理在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面：•如果对带有温度自由度的耦合场单元选择瞬态分析类型的话：–瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。–瞬态电效果(电容，电感)不能包括在热-电分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度被激活)。–带有磁向量势自由度的耦合场单元可以用来对瞬态磁场问题建模(如,SOLID62).带有标量势自由度的单元只能模拟静态现象(SOLID5)。•学习每种单元的自由度和允许的载荷。耦合场单元允许的相同位置(节点,单元面等)施加多种类型的载荷(D,F,SF,BF)。•耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor和LineSearch功能改善收敛性。•考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。间接方法间接方法用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的分析(而不是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:热结构热结构许多问题需要热到结构的耦合(温度引起的热膨胀)但反之不可结构到热耦合是可以忽略的(小的应变将不对初始的热分析结果产生影响)在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单元，不用进行多次迭代计算。间接方法-例题叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显著影响应力状态。由于应变较小，而且接触区域是平面对平面的，因此温度解不用更新。DiskSectorAirfoilPlatformRoot下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法进行分析的例子:热-结构:透平机叶片部件分析这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。间接方法-例题(续)热-电:嵌于玻璃盘的电热器嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使得电线中有焦耳热产生。由于热效应，电线和盘中温度增加。由于系统的温度变化不大，热引起的电阻变化被忽略。因此，电流也是不变的。当电压{V}求解后，可以用于下式中求解焦耳热:RVPowerQj2+V-间接方法-过程在ANSYS中由两个基本方法进行序贯耦合场分析。它们主要区别在于每个场的特性是如何表示的:物理环境方法-单独的数据库文件在所有场中使用。用多个物理环境文件来表示每个场的特性。手工方法-多个数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存储在数据库中。在下面我们将对每种方法和其优点加以讨论。物理环境为了自动进行序贯耦合场分析，ANSYS允许用户在一个模型中定义多个物理环境。一个物理环境代表模型在一个场中的行为特性。物理环境文件是ASCII码文件，包括以下内容:•单元类型和选项•节点和单元坐标系•耦合和约束方程•分析和载荷步选项•载荷和边界条件•GUI界面和标题在建立带有物理环境的模型时，要选择相容于所有物理场的单元类型。例如，8节点的热块单元与8节点的结构块单元相容，而不与10节点结构单元相容:yesno在使用降阶单元形状时要注意。具有相同基本形状的单元不一定支持该种单元的降阶模式。物理环境(续)除了相似的单元阶次(形函数阶次)和形状，绝大多数单元需要相似的单元选项(如平面2-D单元的轴对称)以满足相容性。但是，许多载荷类型不需要环境之间完全相容。例如，8节点热体单元可以用来给20节点结构块单元提供温度。许多单元需要特殊单选项设置来与不同阶次的单元相容。单元属性号码(MAT,REAL,TYPE)在环境之间号码必须连续。对于在某种特殊物理环境中不参与分析的区域使用空单元类型(type#zero)来划分(如，在电磁场分析中需要对物体周围单空气建模而热和结构分析中不用)。同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的结果。如：物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法当考虑多于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数据库文件的情况下比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法，可以参考《耦合场分析指南》的第二章。物理环境(续)这种划分方法在热分析中可以得到满意的温度分布，但......这样的网格密度在结构分析中才能得到准确的结果。热-应力分析在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热-应力分析。热-应力分析是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的影响。既然热-应力分析只涉及到两个场之间的连续作用，我们可以使用手工方法(MM)进行顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法(PEM)。这里是手工方法的几个优点和缺点:优点:–在建立热和结构模型时有较少的限制。例如，属性号码和网格划分在热和结构中可以不同。PEM需要所有的模型都是一致的。–MM方法是简单而且适应性强的，ANSYS和用户都对它进行了多年的检验。缺点:–用户必须建立热和结构数据库和结果文件。这与单独模型的PEM方法对比，需要占用较多的存储空间。–MM如果再考虑其它场时会比较麻烦。基本过程在热-应力分析中，由温度求解得到的节点温度将在结构分析中用作体载荷。当在顺序求解使用手工方法时将热节点温度施加到结构单元上有两种选项。选择的原则在于结构模型和热模型是否有相似的网格划分:如果热和结构的单元有相同的节点号码...1•热模型自动转换为结构模型，使用ETCHG命令(见相应单元表格)。•温度可以直接从热分析结果文件读出并使用LDREAD命令施加到结构模型上。基本过程(续)如果热和结构模型的网格有不同的节点号码...•结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好的结构结果。•结构体载荷是从热分析中映射过来。这需要一个较复杂的过程，使用BFINT命令对热结果插值(不能使用物理环境)。下面对比一下使用相同或不同网格的区别。2热-应力分析流程图相同网格?5A.将热模型转换为结构模型(ETCHG)5a.清除热网格并建立结构网格Yes(Option1)No(Option2)5B.读入热载荷(LDREAD)5b.写节点文件(NWRITE)并存储结构文件5c.读入热模型并进行温度插值(BFINT)5d.读入结构模型并读入体载荷文件(/INPUT)6.指定分析类型，分析选项和载荷步选项7.指定参考温度并施加其它结构载荷8.存储并求解9.后处理结束1.建立，加载，求解热模型2.后处理确定要传到结构的温度3.设置GUI过滤，改变工作文件名并删除热载荷，CEs,CPs4.定义结构材料特性开始流程细节1.建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点上的温度。2.查看热结果并确定大温度梯度的时间点(或载荷步/子步)。3a.将GUI过滤设置为“Structural”和“Thermal”。3b.改变工作文件名。213b下面是热-应力分析的每步细节。3a流程细节(续)3c.删除所有热载荷3d.删除耦合序列和约束方程3c3d流程细节(续)4.定义结构材料特性，包括热膨胀系数(ALPX)。4流程细节(续)下面两页(步骤5A和5B)假设热网格在结构中同样使用(选项1).5A.改变单元类型，从热到结构(ETCHG命令):检查实常数和单元选项是否正确。5A流程细节(续)5B.从热分析中施加温度体载荷(LDREAD命令):9.求解当前载荷步5B确定温度结果文件确定结果的时间和子步流程细节(续)下面六页(步骤5a-5d)假设热网格不在结构模型中使用(选项2)。5a.清除热网格...删除热单元类型并定义结构单元类型...改变网格控制并划分结构模型。流程细节(续)5b.选择温度体载荷的所有节点并写入节点文件。5b指定节点文件名流程细节(续)5c.存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件名，读入热数据库...进入通用后处理器...流程细节(续)读入需要的结果序列，并...进行体载荷插值:节点文件名写出的载荷文件名用于写多个载荷文件使用体-体有些情况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超过热模型的结构模型节点进行体载荷插值。缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的0.5倍。一个在5.4版没有写入手册的特性允许用户控制该公差数值：本命令没有GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。BFINT,Fname1,Ext1,Dir1,Fname2,Ext2,Dir2,KPOS,Clab,KSHS使用BFINT插值,EXTOL例如:如果结构网格包括在热模型中不存在的圆角时，许多节点将落在热模型的外面。如果圆角足够大而且热模型足够细致，圆角区域的载荷将不能写出。Usingthedefaulttolerance,thesetwonodeswouldnotbeassignedaload热网格结构网格边界流程细节(续)5d.退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件名，读入结构数据库...进入求解器...读入载荷文件施加温度载荷:流程细节(续)6a.定义结构分析类型(缺省为静态)6b.指定分析选项(如求解器选项)6c.指定载荷步选项(如，输出控制)6a6b6c流程细节(续)7a.设置求解热膨胀时自由应变参考温度(TREF):7流程细节(续)7b.施加其它结构载荷。8.存储模型并求解当前载荷步。7b989.结果后处理: